一種基于熱管原理的電力通信設備自動散熱裝置制作方法研究

劉 偉 常宛露 蔡瑩乾

（國網鄭州供電公司，河南鄭州 450006）

0 引言

電力系統通信是電網實現調度自動化和管理現代化的基礎，是確保電網安全、經濟調度的重要技術手段。隨著電力系統的不斷發展壯大，電力通信設備數量增加、功率加大，造成了電力通信柜內的發熱元件越來越多，發熱量也越來越大，對電力通信柜的散熱降溫要求也越來越高。加之近年的氣候變化造成氣溫上升、高溫天氣增多，持續的極端高溫天氣也屢有發生。這些因素使得電力通信柜的運行環境更加惡劣，即使在通信室安裝有空調的情況下，通信柜內的溫度仍然會超過正常運行的溫度，造成通信設備故障、損壞、壽命縮短等情況，影響電力系統的穩定運行。因此，結合電力通信柜的特點，研究出一套有針對性的方案對電力通信柜進行散熱處理，對于保障通信設備正常工作、保護電力通信網絡的可靠運行非常必要。

1 當前電力通信機柜降溫方法存在的問題

電力通信機柜主要安裝在機房中，降溫方法包括自然對流、強制對流（風冷模式）、熱交換器、機柜空調等[1]。

目前，大多數電力通信機柜采用的都是強制對流降溫方式，也就是在機柜上安裝小型的風扇實現外界和機柜內部的空氣交換，將機柜內部的熱量帶到外部環境中。在夏季炎熱時，還可開啟機房內的空調，實現對機房的降溫。這種模式存在如下缺陷：

1）散熱效率低：通信機柜內部空間狹小，設備發熱量大，僅通過幾個小型風扇難以將機柜內的聚集熱量及時散發到外界環境中，會造成機柜內溫度過高。

2）可靠性差：通信機柜上安裝的散熱風扇處于連續工頻運行狀態，長時間連續運行，容易發生故障和損壞，造成機柜散熱不及時。

3）控制不精準：機房空調的控制是根據機房室內的溫度進行人工開啟和關閉，并不是根據通信機柜內部的溫度實時控制。由于通信機柜內安裝的設備發熱量較大，一般來說通信機柜內部的溫度會高于機房溫度，因此存在當機房內環境溫度尚未達到啟動空調的要求時，通信機柜內的溫度已經較高的情況。

2 設計思路

筆者在設計電力通信設備自動控溫散熱裝置時主要遵循了如下要點：

1）可靠性：電力通信設備對于保障電網安全運行非常重要，因此本裝置必須具有很高的可靠性。

2）智能化：裝置應實時監測通信機柜的溫度、通信設備表面的溫度，并以此為散熱裝置的控制判據，做到根據實時溫度開啟、控制散熱器，控制散熱風扇的轉速，實現對通信機柜內部溫度、通信設備溫度較為精準的控制。

3）擴展性：通信機柜內可能安裝有多個發熱量大的通信設備，因此裝置應有可擴展性，留有足夠的輸入/輸出接口，便于對多個通信設備散熱裝置進行監控。

4）低功耗：通過采用低功耗元件、散熱裝置逐級投入、散熱風扇變頻控制等手段，盡量減少散熱裝置的功耗，盡量避免額外的熱源對機柜內部環境、機房環境的影響。

基于以上幾點考慮，筆者提出了如下系統設計方案，如圖1所示。

圖1 系統設計方案圖

控制器：是整個系統的核心元件，可接收機柜溫度傳感器、通信設備溫度傳感器的溫度，并根據溫度傳感器反饋的溫度，對散熱模組上的散熱風扇實現開啟、關閉；通過PWM方式調整風扇轉速，從而實現通信機柜內部和通信設備的精準溫度控制；盡量減少風扇功耗，避免額外的熱源對機房環境產生影響。控制器可采用面板式安裝或導軌式安裝。

溫度傳感器：是一組MEMS溫度傳感器，分別用于監測通信機柜內部和通信設備表面的溫度，作為各個散熱模組啟動、停止和調速的判據。

通信機柜散熱模組：由若干散熱風扇和安裝支架組成，根據機柜溫度的設定值啟動、停止和調速。

通信設備散熱模組：由鋁制散熱器、若干散熱風扇和相應的安裝支架組成，具有 “自冷模式” 和 “變頻風冷模式” 兩種工作模式。若通信設備發熱量不大，工作于 “自冷模式” ，依靠散熱器本身即可實現通信設備的降溫；若通信設備發熱量較大，啟動并控制散熱風扇的轉速，通過散熱風扇將更多的熱量從通信設備表面帶走，此時散熱裝置即工作于 “變頻風冷模式” 。

3 基于熱管原理的電力通信設備自動散熱裝置的制作方法

根據以上設計思路，筆者提出了電力通信設備自動散熱裝置的制作方法，其原理如圖2所示。

圖2 電力通信設備自動散熱裝置原理圖

3.1 控制器的制作方法

控制器用于整個通信設備自動散熱裝置的信息處理和控制，采用STM32單片機進行開發，具有人機界面、溫度輸入、散熱器控制、數據存儲、通信控制等主要功能模塊。其主要功能如圖3所示。

圖3 通信設備自動散熱裝置控制器的主要功能

3.2 機柜散熱風扇模組的制作方法

機柜散熱風扇模組主要由安裝支架和若干軸流風扇組成，其主要作用是利用風扇將機柜內聚集的熱空氣向外排出。其示意圖如圖4所示。

圖4 機柜散熱風扇模組示意圖

安裝支架有兩個作用，一方面是將軸流風扇固定在安裝支架之內，另一方面是將整個機柜散熱風扇模組固定在通信機柜頂部。

3.3 通信設備散熱模組的制作方法

通信設備散熱模組主要由散熱器底座、散熱器、熱管和若干軸流風扇組成，其主要作用是將通信設備運行時聚集的熱量向外排出。其示意圖如圖5所示。

圖5 通信設備散熱模組示意圖

熱管是一種是利用液體變為氣體時吸收熱能和氣體變成液體時釋放熱能，即依靠自身內部工作液體的相變來實現傳熱的元件，具有結構緊湊，導熱性高，等溫性、熱流密度可變性和環境適應性良好等基本特性。在眾多傳熱元件中，熱管是最有效的傳熱元件之一，在電子電氣工程中應用很多，它可以將大量的熱量通過很小的截面遠距離傳輸而不需外加動力[2]。本裝置中采用熱管作為散熱組件，也正是看重了它的特性。本裝置采用的熱管為紫銅制作的U型銅管，橫截面為扁圓形，內部充有工作介質。U型熱管的一端為蒸發端，嵌入散熱器底座；另一端為冷凝端，嵌入散熱片。散熱器底座是一個鋁板，貼合安裝在電力通信設備表面，熱管嵌入散熱器底座內。散熱器底座的尺寸根據電力通信設備的外觀尺寸定制，將通信設備產生的熱量傳遞到熱管及散熱器中。散熱片是一個鋁制的翅片型散熱器，其下端開有凹槽，可將導熱管的冷凝端嵌入其中。散熱片本身均有一定的散熱能力，當通信設備發熱量不大時，利用散熱片即可將設備產生的熱量迅速擴展到周邊環境中。

通信設備散熱風扇模組是一個由若干個變頻軸流風扇組成的風扇組，通過長螺栓或卡扣固定在散熱器的上端。該風扇組以直流12 V或直流24 V供電。散熱風扇啟動后，可產生快速的氣流將散熱器散發的熱量迅速帶走，實現更好的散熱效果。通信設備散熱風扇模組的啟停和轉速快慢由控制器進行控制。

從以上敘述可以看出，通信設備散熱模組實際上是具有兩種工作模式的，分別是自冷模式和變頻風冷模式。

自冷模式：當通信設備發熱量不大，系統檢測到溫度較低時，不需要啟動散熱風扇降溫。利用熱管散熱器本身的散熱能力就可以將裝置產生的熱量擴展到周邊環境中，實現通信設備的降溫。

變頻風冷模式：當通信設備發熱量變大，系統檢測到溫度升高到設定值時，開啟通信風扇散熱風扇組，可產生快速的氣流，通過散熱器的翅片將熱量從散熱器表面迅速帶走，實現更好的降溫效果。系統可以根據溫度傳感器的反饋，自動調節風扇的轉速，在保證散熱效果的同時，減少風扇組的出力，降低功耗。

4 設備安裝方式

本設計方案中的電力通信設備自動控溫散熱裝置是一個定制化、可擴展的裝置，可根據電力通信機柜的尺寸、通信設備的數量、安裝位置等靈活配置方案。該裝置在通信機柜上的安裝，需保證外部環境和通信機柜的空氣交換通暢，其安裝方式和空氣通路如圖6所示。

圖6 電力通信設備自動溫控散熱裝置安裝示意圖

5 結束語

電力通信設備是保障電網自動化、現代化的基礎，是確保電網安全、經濟調度的重要技術手段。為避免電力通信設備因高溫造成的故障、損壞現象，筆者研究了一種基于熱管技術的電力通信設備自動控溫散熱裝置的制作方法，通過該裝置的研究和使用，可為電力通信設備的運維、管理人員對此類設備的維護提供一種參考方案。